JP2006229154A - 圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極層の密着性を改善できる圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【解決手段】 振動板２上に、エアロゾルデポジション法により、圧電層５を構成する材料と同一のＰＺＴからなる密着層３を形成する。このとき、セラミックス材料であるＰＺＴの粒子は比較的硬く、衝突の衝撃によって振動板２にめり込むため、密着層３が振動板２に強く密着する。そして、この密着層３上に、下部電極４を形成し、その上に圧電層５を重ねる。このとき、下部電極４を圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域に設け、その周縁には密着層３が露出する露出領域３Ａを設けておく。そして、この上に圧電層５を積層すると、露出領域３においては圧電層５が密着層３上に直接に積層され、密着層３と一体化する。したがって、下部電極４が密着層３と圧電層５からなるセラミックス層に閉じ込められて強固に固定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド、およびそれらの製造方法に関する。

インクジェットヘッド等に用いられる圧電アクチュエータの一例として、特許文献１に記載のものがある。この圧電アクチュエータは、流路形成体においてノズル開口と連通する圧力室の開口部を閉じるように設けられる基板（振動板）を備え、この基板上に下部電極、圧電層、上部電極を積層したものである。下部電極と上部電極との間に電界を印加すると、圧電層の変形に伴って基板が撓み、圧力室内のインクが加圧されてノズル開口から吐出される。

このような圧電アクチュエータの製造方法として、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）と呼ばれるものがある。これは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料の微粒子を気体中に分散させたもの（エアロゾル）を基板表面に向けて噴射させ、微粒子を基板上に衝突・堆積させることにより圧電膜を形成させるものである（例えば特許文献１）。
特開２００１−５４９４６公報

ところが、下部電極層は、下層の基板や上層の圧電層との密着性があまり強くなく、製造工程中に部分的に剥離を生じてしまう場合がある。例えば、圧電層にアニール処理を施す際に、各層を構成する材料の熱膨張率に差によって重なり合う層の界面に応力が生じ、剥離が起こることがある。このような場合には、充分な圧電特性が得られなくなってしまうため、改善が求められていた。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極層の密着性を改善できる圧電アクチュエータ、インクジェットヘッドおよびその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための請求項１の発明に係る圧電アクチュエータは、基板と、前記基板上にセラミックス材料により形成された密着層と、前記密着層上に、周縁に前記密着層が露出された露出領域を残しつつ形成された一の電極層と、前記一の電極層が設けられた前記密着層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられて前記一対の電極と対となる他の電極層と、を備えるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電アクチュエータであって、前記密着層が前記圧電材料の粒子を含むものである。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、前記密着層の厚みが５μｍ以下とされたものである。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、前記密着層が、組成の異なる複数の層が積層されてなるものであって、前記複数の層の厚みがそれぞれ３μｍ以下とされたものである。
なお、密着層を構成する層の具体例としては、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる絶縁層、拡散防止層等が挙げられる。

請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、前記一の電極層が、前記基板に含まれる元素の前記圧電層への拡散を防止する拡散防止機能を有するものである。

請求項６の発明は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、前記密着層が、前記セラミックス材料の粒子を含むエアロゾルを前記基板に噴き付けて付着させることにより設けられるものである。

請求項７の発明は、インクを吐出するためのインク吐出ノズルと、前記インク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、前記インク流路形成体の一面側に前記開口部を閉じるように設けられた振動板と、前記振動上にセラミックス材料により形成された密着層と、前記密着層上に、周縁に前記密着層が露出された露出領域を残しつつ形成された一の電極層と、前記一の電極層が設けられた前記密着層上に、圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられて前記一対の電極と対となる他の電極層と、を備えるインクジェットヘッドである。

請求項８の発明は、請求項７に記載のインクジェットヘッドであって、前記一の電極層が、前記開口部に対応する開口領域に設けられているとともに、前記振動板に含まれる元素の前記圧電層への拡散を防止する拡散防止機能を有するものである。

請求項９の発明は、基板にセラミックス材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこのセラミックス材料の粒子を付着させることにより密着層を形成する密着層形成工程と、前記密着層上において、周縁に前記密着層が露出する露出領域を残しつつ一の電極層を形成する第１の電極層形成工程と、前記一の電極層を形成させた密着層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第２の電極層形成工程と、を含む圧電アクチュエータの製造方法である。

請求項１０の発明は、インクを吐出するためのインク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、前記インク流路形成体の一面側に前記開口部を閉じるように設けられる振動板と、この振動板上に積層される圧電膜とを備える圧電アクチュエータと、を備えるインクジェットヘッドを製造する方法であって、前記振動板にセラミックス材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこのセラミックス材料の粒子を付着させることにより密着層を形成する密着層形成工程と、前記密着層上において、前記開口部に対応する開口領域に、周縁に前記密着層が露出する露出領域を残しつつ一の電極層を形成する第１の電極層形成工程と、前記一の電極層を形成させた密着層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第２の電極層形成工程と、を含むものである。

請求項１１の発明は、請求項１０に記載のインクジェットヘッドの製造方法であって、前記密着層形成工程の前に、前記インク流路形成体を形成する前記インク流路形成体形成工程と、前記インク流路形成体の前記一面に前記振動板を接合する振動板接合工程と、
をさらに備えるものである。

請求項１および請求項７の発明によれば、基板（振動板）上に、セラミックス材料により形成されて、圧電層（多くは酸化物セラミックスである）との親和性の良い密着層を設ける。そして、密着層上には一の電極層を設ける。このとき、この一の電極層の周縁には密着層が露出された露出領域が設けられているから、この露出領域がその上層に設けられる圧電層と直接に接し、圧電層と強く密着する。このような構成によれば、一の電極層は、密着層と圧電層とに挟み込まれて、密着層の露出領域と圧電層との強い密着によって固定される。これにより、一の電極層の剥離を防止することができ、良好な圧電特性を確保することができる。

請求項２の発明によれば、密着層が、圧電層を構成する圧電材料と同種の材料を含む。このような構成によれば、密着層と圧電層とが一体化し、より強く密着するから、一の電極層の剥離防止をより確実なものとすることができる。また、材料の共通化によりコストダウンを図ることができる。

請求項３の発明によれば、密着層の厚みが５μｍ以下とされている。ここで、密着層は圧電アクチュエータの撓み動作には寄与しない層であり、あまり厚ければ撓み動作に影響を与える。一方で、密着性に関しては、薄くても層として形成されている限りその能力を発揮することができる。このため、密着層を、撓み動作にほとんど影響を与えない程度に薄くすることによって、圧電アクチュエータとしての動作を安定させることができる。

請求項４の発明によれば、密着層は、組成の異なる複数の層が積層されてなるものである。このような構成によれば、種々の特性を有する層を組み合わせることによって、種々の機能を密着層に付加することができ、優れた圧電アクチュエータを提供することができる。また、各層を、撓み動作にほとんど影響を与えない程度に薄くすることによって、圧電アクチュエータとしての動作を安定させることができる。

請求項５の発明によれば、一の電極層が拡散防止機能を備える。このような構成によれば、基板に含まれる元素の圧電層への拡散を抑制して圧電特性の低下を防ぐことができる。

請求項６の発明によれば、密着層は、圧電層と同様にエアロゾルデポジション法により作製される。このように、製法の共通化を図ることにより、製造コストを削減できる。

請求項８の発明によれば、一の電極層が、密着層上において圧力室の開口部に対応する開口領域に設けられており、かつ、拡散防止機能を有している。このような構成によれば、開口領域、すなわち電圧の印加により撓むことが必要な領域において、振動板に含まれる元素の圧電層への拡散の影響による圧電特性の低下を防ぐことができる。

請求項９〜１１の発明によれば、基板上に、セラミックス材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこれらの粒子を付着させることにより密着層を形成する。このとき、セラミックス材料の粒子は比較的硬く、衝突の衝撃によって基板にめり込むため、密着層が基板に強く密着する。
そして、この密着層上に、一の電極層を形成し、その上に圧電層を重ねる。このとき、一の電極層の周縁には密着層が露出する露出領域が設けられるから、この露出領域が上層に形成される圧電層と直接に接し、圧電層と密着する。ここで、密着層はセラミックス材料により形成されて、圧電層（多くは酸化物セラミックスである）と親和性が良いから、密着層と圧電層とが強く密着する。このようにすれば、一の電極層が密着層と圧電層との間に挟み込まれ、密着層の露出領域と圧電層との密着によって固定される。これにより、下部電極の基板及び圧電層との剥離を防止でき、良好な圧電特性を確保することができる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明を具体化した第１実施形態について、図１〜図３を参照しつつ詳細に説明する。図１には、本実施形態のインクジェットヘッド１０を示す。インクジェットヘッド１０は、インク２０が収容される複数の圧力室１６を備えた流路ユニット１１（本発明のインク流路形成体に該当する）と、この流路ユニット１１上に圧力室１６を閉じるように接合されたアクチュエータプレート１（本発明の圧電アクチュエータに該当する）とを備えている。

流路ユニット１１は、全体として平板状をなしており、ノズルプレート１２、マニホールドプレート１３、流路プレート１４、および圧力室プレート１５を順に積層するとともに、各プレート１２、１３、１４、１５を互いにエポキシ系の熱硬化性接着剤にて接合した構成となっている。

ノズルプレート１２は、ポリイミド系の合成樹脂材料にて形成されており、その内部にはインク２０を噴射するための複数のインク吐出ノズル１９が整列して形成されている。マニホールドプレート１３は、例えばステンレス（ＳＵＳ４３０）にて形成され、その内部には、インク吐出ノズル１９に接続する複数のノズル流路１８が設けられている。流路プレート１４は、同じくステンレス（ＳＵＳ４３０）にて形成されており、内部にノズル流路１８に連通した複数のプレッシャ流路１７が設けられている。圧力室プレート１５は同じくステンレス（ＳＵＳ４３０）にて形成され、その内部にはプレッシャ流路１７に連通した複数の圧力室１６が設けられている。圧力室１６は、流路プレート１４、マニホールドプレート１３に設けられた図示しないマニホールド流路、および共通インク室を介してインクタンクに接続されている。このようにして、インクタンクに接続された共通インク室から、マニホールド流路、圧力室１６、プレッシャ流路１７およびノズル流路１８を経てインク吐出ノズル１９へと至るインク流路が形成されている。

この流路ユニット１１に積層されるアクチュエータプレート１は、圧力室１６の壁面の一部を構成する振動板２（本発明の基板に該当する）と、この振動板２上に形成された密着層３と、この密着層３上に設けられた下部電極４（本発明の一の電極層に該当する）と、この下部電極４が設けられた密着層３上に積層された圧電層５と、この圧電層５上に設けられた上部電極６（本発明の他の電極層に該当する）とで構成されている。

振動板２は、例えばステンレス（ＳＵＳ４３０）にて矩形状に形成されており、流路ユニット１１の上面に熱圧着により接合されて、流路ユニット１１の上面全体を覆う形態となっている。なお、この振動板２は、流路ユニット１１を構成するマニホールドプレート１３、流路プレート１４、および圧力室プレート１５と同種の金属材料により形成されており、これにより、振動板２を流路ユニット１１に熱圧着する際の反りを防止することができる。

この振動板２において流路ユニット１１に接する面と反対側の面には、密着層３が全面にわたって設けられている。この密着層３は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであって、後述の圧電層５を構成する圧電セラミックス材料と同一の材料により構成されている。

この密着層３上には、下部電極４、および各下部電極４に接続した複数のリード部（図示せず）が形成されている。下部電極４は、流路ユニット１１における各圧力室１６の開口部１６Ａに対応する開口領域にそれぞれ設けられており、密着層３の面上において開口部１６Ａから外れた領域は、下部電極４によって覆われない露出領域３Ａとされている。各下部電極４は、駆動回路ＩＣ（図示せず）のグランドに接続されてグランド電極として使用される。

圧電層５は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体の圧電セラミックス材料から形成されており、密着層３との間で下部電極４を挟み込むようにしながら、密着層３の表面全体にほぼ均一な厚みで積層されている。密着層３の面上において下部電極４によって覆われない露出領域３Ａは、圧電層５と直に接している。このとき、密着層３は、圧電層５を構成する圧電セラミックス材料と同一の材料からなっているため、この露出領域３Ａでは両層３、５が一体化して強く密着している。これにより、下部電極４は、密着層３と圧電層５とからなるセラミックス層の内部に閉じ込められ、強く固定される。
なお、この圧電層５は、エアロゾルデポジション法により形成されたものであって、その厚み方向に分極するように分極処理が施されている。

この圧電層５の表面（密着層３に密着されている側と逆側の面）には、複数の上部電極６が備えられている。この上部電極６は、圧電層５の表面全面に渡って設けられるとともに、駆動回路ＩＣに接続されており、駆動電極として使用される。

印刷を行う際には、駆動回路ＩＣから所定の駆動信号が発せられると、上部電極６の電位が下部電極４よりも高い電位とされ、圧電層５の分極方向（厚み方向）に電界が印加される。すると、圧電層５が厚み方向に膨らむとともに、面方向に収縮する。これにより、圧電層５および振動板２（即ちアクチュエータプレート１）が、圧力室１６側に凸となるように局所的に変形する（ユニモルフ変形）。このため、圧力室１６の容積が低下して、インク２０の圧力が上昇し、インク吐出ノズル１９からインク２０が噴射される。その後、上部電極６が下部電極４と同じ電位に戻されると、圧電層５と振動板２とが元の形状になって圧力室１６の容積が元の容積に戻るので、インク２０をインクタンクに連通するマニホールド流路より吸い込む。

さて、密着層３および圧電層５は、エアロゾルデポジション法によって成膜されるものである。図２に、成膜装置３０の概略図を示した。この成膜装置３０は、材料粒子Ｍをキャリアガスに分散させてエアロゾルＺを形成するエアロゾル発生器３１、およびエアロゾルＺを噴射ノズル３７から噴出させて基板に付着させるための成膜チャンバ３５を備えている。

エアロゾル発生器３１には、内部に材料粒子Ｍを収容可能なエアロゾル室３２と、このエアロゾル室３２に取り付けられてエアロゾル室３２を振動する加振装置３３とを備えている。エアロゾル室３２には、キャリアガスを導入するためのガスボンベＢが導入管３４を介して接続されている。導入管３４の先端はエアロゾル室３２内部において底面付近に位置し、材料粒子Ｍ中に埋没するようにされている。キャリアガスとしては、例えばヘリウム、アルゴン、窒素等の不活性ガスや空気、酸素等を使用することができる。

成膜チャンバ３５には、圧電層を形成する基板を取り付けるためのステージ３６と、このステージ３６の下方に設けられた噴射ノズル３７が備えられている。噴射ノズル３７は、エアロゾル供給管３８を介してエアロゾル室３２に接続されており、エアロゾル室３２内のエアロゾルＺが、エアロゾル供給管３８を通って噴射ノズル３７に供給されるようになっている。また、この成膜チャンバ３５には、粉体回収装置３９を介して真空ポンプＰが接続されており、その内部を減圧できるようにされている。

次に、この成膜装置３０を用いて、アクチュエータプレート１を備えたインクジェットヘッド１０を製造する方法について説明する。

まず、ステンレスにより形成されたマニホールドプレート１３、流路プレート１４、圧力室プレート１５に、それぞれノズル流路１８、プレッシャ流路１７、圧力室１６となる孔をエッチングにより形成する。次いで、これらを積層した状態で接合し、流路ユニットの大半を形成する（インク流路形成体形成工程）。なお、ノズルプレート１２は合成樹脂材料により形成されているため、後述するアニール処理の際に加熱すると溶融するから、ここでは接合せず、アニール処理の後に接合する。

次に、図３Ａに示すように、ステンレスにより形成された振動板２を、流路ユニット１１における圧力室プレート１５の上面に位置合わせした状態で重ねて熱圧着により接合し、振動板２によって各圧力室１６を閉鎖する（振動板接合工程）。

次に、図３Ｂに示すように、振動板２上に密着層３を形成する（密着層形成工程）。密着層３は、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって形成する。まず、振動板２を成膜装置３０のステージ３６にセットする。次いで、エアロゾル室３２の内部に、材料粒子Ｍとして圧電セラミックス材料であるＰＺＴの粒子を投入する。

そして、ガスボンベＢからキャリアガスを導入して、そのガス圧で材料粒子Ｍを舞い上がらせる。それととともに、加振装置３３によってエアロゾル室３２を振動することで、材料粒子Ｍとキャリアガスとを混合してエアロゾルＺを発生させる。そして、成膜チャンバ３５内を真空ポンプＰにより減圧することにより、エアロゾル室３２と成膜チャンバ３５との間の差圧により、エアロゾル室３２内のエアロゾルＺを高速に加速しつつ噴射ノズル３７から噴出させる。噴出したエアロゾルＺに含まれる材料粒子Ｍは振動板２に衝突して堆積し、密着層３を形成する。

このとき、材料粒子ＭであるＰＺＴは適度な硬さをもつセラミックス材料の粒子であるので、振動板２の表面に高速で衝突し、これらが粉砕されつつ振動板２に適度にめり込んだ微細構造を取る。これにより、粒界面が緻密で密着性の高い層を作ることができる。また、密着層３の厚みを５μｍ以下とする。この理由は、密着層３はアクチュエータプレート１の撓み動作には寄与しない一方で、密着性に関しては、薄くても層として形成されている限りその能力を発揮することができるためである。すなわち、密着層３を、撓み動作にほとんど影響を与えない程度に薄くすることによって、アクチュエータプレート１の動作を安定させることができるのである。

次に、図３Ｃに示すように、この密着層３上に下部電極４および図示しないリード部を形成する（第１の電極層形成工程）。下部電極４およびリード部を形成するには、例えば、密着層３上の全域に導体膜を形成した後、フォトリソグラフィ・エッチング法を利用して所定のパターンに形成してもよく、あるいは密着層３の上面に直接スクリーン印刷により形成しても良い。このとき、下部電極４は流路ユニット１１における各圧力室１６の開口部１６Ａに対応する開口領域に形成される。すなわち、下部電極４の周縁であって開口部１６Ａから外れた領域は、下部電極４によって覆われず、密着層３が露出した露出領域３Ａとなる。なお、下部電極４は、後述のアニール工程において圧電層５への拡散が起こらず、かつ、振動板２に含まれるＦｅ，Ｃｒ等の金属元素の圧電層５への拡散を防ぐ機能を有する材料、例えば金や白金等により形成されることが好ましい。

続いて、図３Ｄに示すように、圧電層５をエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって形成する（圧電層形成工程）。まず、下部電極４形成後の振動板２を成膜装置３０のステージ３６にセットする。次いで、エアロゾル室３２の内部に、材料粒子ＭとしてＰＺＴの粒子を投入する。

そして、上記した第１の電極層形成工程と同様にしてエアロゾルＺを発生させ、振動板２に吹き付ける。噴出したエアロゾルＺに含まれる材料粒子Ｍは密着層３および下部電極４の面上に衝突して堆積し、圧電層５を形成する。このとき、下部電極４が、圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域のみに形成されており、その周縁は密着層３が露出した露出領域３Ａとなっている。したがって、この露出領域３Ａでは材料粒子Ｍが密着層３上に直接に堆積する。ここで、密着層３は、圧電層５を構成するＰＺＴと同一の材料からなっているため、圧電層５が密着層３上に直接に積層される露出領域３Ａでは、両層３、５が一体化して強く密着する。これにより、下部電極４は、密着層３と圧電層５とからなるセラミックス層の内部に閉じ込められ、強く固定される。

続いて、必要な圧電特性を得るために、形成した圧電層５のアニール処理を行う。アニール処理は、充分な圧電特性の確保のために６００℃以上で行われることが好ましく、８００℃以上で行われることがより好ましい。このとき、振動板２と密着層３とは、上記したように両層３、５が直接に重ねられる露出領域３Ａにおいて一体化し、これら両層３、５によって構成されるセラミックス層の内部に下部電極４が固定された構造となっている。これにより、熱膨張率の差による下部電極４の密着層３、圧電層５からの剥離を回避することができる。さらに、上記したように密着層３は適度な硬さをもつセラミックス材料の粒子を振動板２に衝突、付着させることにより形成されているものであるから、その界面が振動板２に適度にめり込んだ微細構造を取っており、振動板２に強く密着している。これにより、熱膨張率の差による密着層３の振動板２からの剥離を回避することができる。

また、加熱によってステンレス製の振動板２に含まれているＦｅ、Ｃｒが圧電層５中に拡散する。しかし、下部電極４は拡散防止機能を有する材料により形成されているので、この下部電極４が形成されている領域、すなわち圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域では、Ｆｅ、Ｃｒの拡散が防止される。加えて、下部電極４自身は加熱による拡散の起こらない材料によって構成されているから、下部電極４からの圧電層５への拡散の影響はない。これにより、電圧の印加により撓むことが必要な領域において、拡散の影響による圧電特性の低下を防ぐことができる。

次に、図３Ｅに示すように、圧電層５の上面に上部電極６を全面にわたって形成する（第２の電極層形成工程）。この後、上部電極６−密着層３間に通常のインク噴射動作時よりも強い電界を印加して、両電極間の圧電層５を厚み方向に分極する（分極処理）。最後に、ノズルプレート１２をマニホールドプレート１３に接合する。以上によりアクチュエータプレート１が完成する。

以上のように本実施形態によれば、振動板２上に、エアロゾルデポジション法により、圧電層５を構成する材料と同一のＰＺＴからなる密着層３を形成する。このとき、セラミックス材料であるＰＺＴの粒子は比較的硬く、衝突の衝撃によって振動板２にめり込むため、密着層３が振動板２に強く密着する。そして、この密着層３上に、下部電極４を形成し、その上に圧電層５を重ねる。このとき、下部電極４を圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域に設け、その周縁には密着層３が露出する露出領域３Ａを設けておく。そして、この上に圧電層５を積層すると、露出領域３Ａにおいては圧電層５が密着層３上に直接に積層され、密着層３と一体化する。したがって、下部電極４が密着層３と圧電層５からなるセラミックス層に閉じ込められて強固に固定される。これにより、各層を構成する材料の熱膨張率の差による層間の剥離を回避することができ、良好な圧電特性を確保することができる。

また、密着層３を、撓み動作にほとんど影響を与えない程度に薄くすることによって、圧電アクチュエータとしての動作を安定させることができる。さらに、密着層３と圧電層５との製法および材料を共通化することにより、コストダウンを図ることができる。

加えて、下部電極４を、圧力室１６の開口部１６Ａに対応する開口領域に設け、かつ、拡散防止機能を有する材料によって構成する。これにより、開口領域、すなわち電圧の印加により撓むことが必要な領域において、振動板２に含まれる元素の圧電層５への拡散の影響による圧電特性の低下を防ぐことができる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について、図４および図５を参照しつつ説明する。図４には、本実施形態のインクジェットヘッド４０を、図５には、このインクジェットヘッド４０用のアクチュエータプレート４１の製造工程を示した。本実施形態の第１実施形態との相違点は、密着層４３が圧電層４５とは異なる種類のセラミックス材料により形成されている点である。

本実施形態のインクジェットヘッド４０は、第１実施形態と同様の構成の流路ユニット１１と、この流路ユニット１１上に圧力室１６を閉じるように接合されたアクチュエータプレート４１とを備えている。

アクチュエータプレート４１は、第１実施形態と同様に、ステンレス製の振動板４２上に、密着層４３、下部電極４４、圧電層４５、および上部電極４６をこの順に積層したものである。密着層４３は、第１実施形態と同様にエアロゾルデポジション法により形成されたものであって、例えばアルミナ等の、圧電層４５を構成する圧電セラミックス材料とは異種の絶縁性セラミックス材料により構成されている。この密着層４３は、振動板４２に含まれる金属元素の圧電層４５への拡散を防止する拡散防止層を兼ねている。
その余の構成は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

本実施形態のアクチュエータプレート４１を製造する際には、まず、第１実施形態と同様に、ステンレスにより形成された振動板４２を、流路ユニット１１における圧力室プレート１５の上面に位置合わせした状態で重ねて熱圧着により接合し、振動板４２によって各圧力室１６を閉鎖する（図５Ａ）。

次に、振動板４２上に密着層４３を形成する。密着層４３は、材料粒子Ｍとして例えばアルミナの粒子を用い、第１実施形態と同様にエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって形成する（図５Ｂ）。このとき、材料粒子Ｍであるアルミナは適度な硬さをもつセラミックス材料の粒子であるので、第１実施形態と同様に、振動板２の表面に高速で衝突し、これらが粉砕されつつ振動板２に適度にめり込んだ微細構造を取る。これにより、密着層３が振動板２に強く密着する。

次に、密着層４３上に下部電極４４および図示しないリード部を形成する（図５Ｃ）。このとき、第１実施形態と同様に、下部電極４は流路ユニット１１における各圧力室１６の開口部１６Ａに対応する開口領域に形成され、この開口部１６Ａから外れた領域は、密着層４３が露出した露出領域４３Ａとなる。

続いて、第１実施形態と同様に、圧電層４５をエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって形成する（図５Ｄ）。このとき、第１実施形態と同様に、露出領域４３Ａでは材料粒子Ｍが密着層４３上に直接に堆積する。ここで、密着層４３は、圧電層４５を構成する圧電セラミックス材料と同質で親和性の良いセラミックス材料からなっているため、圧電層５が密着層４３上に直接に積層される露出領域４３Ａでは、両層４３、４５が強く密着する。これにより、下部電極４４は、密着層４３と圧電層４５とに挟み込まれて、露出領域４３Ａにおける密着層４３と圧電層４５との強い密着によって強固に固定される。

続いて、必要な圧電特性を得るために、形成した圧電層４５のアニール処理を行う。このとき、振動板４２−密着層４３間は上記したように強く密着している。また、密着層４３−圧電層４５間も露出領域４３Ａにおいて強く密着し、これら両層の間に下部電極４４が固定された構造となっている。これにより、第１実施形態と同様に、各層を構成する材料の熱膨張率の差による層間の剥離を回避することができる。

さらに、密着層４３が拡散防止層を兼ねているため、振動板４２に含まれる元素の圧電層４５への拡散が防止される。これにより、拡散の影響による圧電特性の低下を防ぐことができる。

次に、第１実施形態と同様に圧電層４５の上面に上部電極４６を全面にわたって形成する（図５Ｅ）。この後、上部電極４６−密着層４３間に通常のインク噴射動作時よりも強い電界を印加して、両電極間の圧電層４５を厚み方向に分極する（分極処理）。以上によりアクチュエータプレート４１が完成する。

以上のように、本実施形態によっても、第１実施形態と同様に各層を構成する材料の熱膨張率の差による層間の剥離を回避することができる。また、密着層４３に拡散防止機能を持たせることにより、アニール処理時において振動板４２に含まれる元素の圧電層４５への拡散を防止し、圧電特性の低下を防ぐことができる。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。
＜実施例１＞
１．下部電極および圧電層の形成
（１）密着層
ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の基板の表面に、ＡＤ法により厚さ２μｍの密着層を形成した。セラミックス材料としてはアルミナを用い、成膜条件は、ノズル開口０．４ｍｍ×１０ｍｍ、成膜チャンバー内圧力４００Ｐａ、エアロゾル室内圧力３００００Ｐａ、キャリアガス種類Ｈｅ、ガス流量は６リットル／ｍｉｎ、ノズル−基板間距離１０〜２０ｍｍとした。

（２）下部電極
下部電極材料としては、Ｔｉ／Ｐｔ合金を用いた。成膜装置としては上記実施形態と同様のものを使用した。
密着層上に、ＲＦ（高周波）スパッタ法により厚さ１μｍの下部電極層を形成した。スパッタ条件は高周波電力１ｋＷ、チャンバ内圧力０．０８Ｐａとした。このとき、下部電極をアルミナ層よりも一回り小さく形成し、下部電極の周縁に密着層が露出した領域が残るようにした。

（３）圧電層
次いで、この下部電極層を形成した密着層上に、ＡＤ法により圧電層を形成した。圧電材料としてはＰＺＴを用い、成膜条件はノズル開口０．４ｍｍ×１０ｍｍ、成膜チャンバー内圧力３００Ｐａ、エアロゾル室内圧力３００００Ｐａ、キャリアガス種類Ｈｅ、ガス流量は４リットル／ｍｉｎ、ノズル−基板間距離１０〜２０ｍｍとした。このとき、圧電層を密着層上面の全面にわたって形成し、下部電極周縁の密着層が露出した領域においては、圧電層が密着層上に直接に積層されるようにした。圧電層の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね８μｍであった。

２．試験
圧電膜上に粘着性樹脂テープを用いてマスキングを行い、有効面積３．６ｍｍ^２以上の上部電極をＡｕ蒸着機を用いて形成して、圧電アクチュエータを構成した。
この圧電アクチュエータに、また、強誘電体測定器（ＴＦＡＮＡＬＹＺＥＲ２０００；ＡｉＸＡＣＴ社製）により、周波数１Ｈｚで電圧を＋３０Ｖ〜−３０Ｖまで変化させながら印加して静電容量を測定し、残留分極（Ｐｒ）および抗電界（Ｅｃ）を求めた。

＜比較例＞
圧電層を下部電極上にのみ形成し、圧電層と密着層とが直に接する部分が無いようにした。その他は、実施例１と同様にして下部電極および圧電層の形成、および試験を行った。

［結果と考察］
実施例、比較例ともに、試験開始直後のＰｒは３６μＣ／ｃｍ^２、Ｅｃは８０ｋＶ／ｃｍであった。実施例においては、開始６０分後のＰｒは３４μＣ／ｃｍ^２、Ｅｃは８２ｋＶ／ｃｍであり、良好な圧電特性を維持していた。一方、比較例では、開始１０分後にＰｒが１０μＣ／ｃｍ^２、Ｅｃが９０ｋＶ／ｃｍとなり、圧電特性が大きく低下していることから、下部電極層の剥離が生じていると判断された。
このことから、実施例においては、密着層の露出領域と圧電層との強い密着により下部電極層が固定されているために、下部電極の密着層および圧電層からの剥離が回避され、高い圧電特性を維持できているといえる。

本発明の技術的範囲は、上記した実施形態によって限定されるものではなく、例えば、次に記載するようなものも本発明の技術的範囲に含まれる。その他、本発明の技術的範囲は、均等の範囲にまで及ぶものである。
（１）上記実施形態では、圧電材料としてＰＺＴを使用したが、圧電材料の種類としては圧電アクチュエータの材料として通常に使用されるものであれば特に制限はなく、例えばチタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛等を使用することができる。
（２）上記実施形態では、圧力室１６の開口部１６Ａに対応する領域に下部電極４、４４を形成し、開口部１６Ａから外れる領域を露出領域３Ａ、４３Ａとしたが、下部電極と露出領域の形成位置は上記実施形態の限りではなく、下部電極の周囲を囲うように露出領域が設けられる形態であればいかなる形態であっても良い。例えば、密着層の周縁よりやや内側位置までを露出領域とし、この露出領域よりも内側の領域に全域にわたって下部電極を形成するようにしても良い。
（３）上記実施形態では、上部電極を圧電層の全面にわたって形成したが、上部電極の形状は上記実施形態の限りではなく、例えば各圧力室の開口部に対応する領域に個別に形成しても良い。
（４）第１実施形態では、密着層３を構成する材料として圧電層５を構成する材料と同一のＰＺＴを使用し、第２実施形態では、密着層４３を構成する材料として圧電層４５を構成する材料とは異なるセラミックス材料であるアルミナを使用したが、密着層を構成する材料は上記実施形態の限りではなく、圧電層を構成する圧電セラミック材料と同質で親和性の良いセラミックス材料であれば適用可能である。例えば、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、ＳｒＲｕＯ_３（ＳＲＯ）など、一般には電極として用いられる材料であっても良いし、また、例えば、密着層３を、圧電層を構成する材料と同一の材料と異なる材料との混合物によって形成しても良い。

第１実施形態のインクジェットヘッドの側断面図 成膜装置の概略図 第１実施形態のアクチュエータプレートの製造工程を示す側断面図 （Ａ）振動板を圧力室プレートに接合した様子を示す図 （Ｂ）密着層を露出領域形成した様子を示す図 （Ｃ）下部電極を形成した様子を示す図 （Ｄ）圧電膜を形成した様子を示す図 （Ｅ）上部電極を形成した様子を示す図 第２実施形態のインクジェットヘッドの側断面図 第２実施形態のアクチュエータプレートの製造工程を示す側断面図 （Ａ）振動板を圧力室プレートに接合した様子を示す図 （Ｂ）密着層を形成した様子を示す図 （Ｃ）下部電極を形成した様子を示す図 （Ｄ）圧電膜を形成した様子を示す図 （Ｅ）上部電極を形成した様子を示す図

符号の説明

１…アクチュエータプレート（圧電アクチュエータ）
２…振動板（基板）
３…密着層
３Ａ…露出領域
４…下部電極（一の電極層）
５…圧電層
６…上部電極（他の電極層）
１０…インクジェットヘッド
１１…流路ユニット（インク流路形成体）
１６…圧力室
１６Ａ…開口部
１９…インク吐出ノズル

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上にセラミックス材料により形成された密着層と、
   前記密着層上に、周縁に前記密着層が露出された露出領域を残しつつ形成された一の電極層と、
   前記一の電極層が設けられた前記密着層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように設けられた圧電層と、
   前記圧電層上に設けられて前記一対の電極と対となる他の電極層と、
   を備える圧電アクチュエータ。
2. 前記密着層が前記圧電材料の粒子を含む請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記密着層の厚みが５μｍ以下である請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記密着層が、組成の異なる複数の層が積層されてなるものであって、前記複数の層の厚みがそれぞれ３μｍ以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記一の電極層が、前記基板に含まれる元素の前記圧電層への拡散を防止する拡散防止機能を有する請求項１〜請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記密着層が、前記セラミックス材料の粒子を含むエアロゾルを前記基板に噴き付けて付着させることにより設けられるものである請求項１〜請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
7. インクを吐出するためのインク吐出ノズルと、
   前記インク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、
   前記インク流路形成体の一面側に前記開口部を閉じるように設けられた振動板と、
   前記振動板上にセラミックス材料により形成された密着層と、
   前記密着層上に、周縁に前記密着層が露出された露出領域を残しつつ形成された一の電極層と、
   前記一の電極層が設けられた前記密着層上に、圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように設けられた圧電層と、
   前記圧電層上に設けられて前記一対の電極と対となる他の電極層と、
   を備えるインクジェットヘッド。
8. 前記一の電極層が、前記開口部に対応する開口領域に設けられているとともに、前記振動板に含まれる元素の前記圧電層への拡散を防止する拡散防止機能を有する請求項７に記載のインクジェットヘッド。
9. 基板にセラミックス材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこのセラミックス材料の粒子を付着させることにより密着層を形成する密着層形成工程と、
   前記密着層上において、周縁に前記密着層が露出する露出領域を残しつつ一の電極層を形成する第１の電極層形成工程と、
   前記一の電極層を形成させた密着層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように圧電層を形成する圧電層形成工程と、
   前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、
   前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第２の電極層形成工程と、
   を含む圧電アクチュエータの製造方法。
10. インクを吐出するためのインク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、
    前記インク流路形成体の一面側に前記開口部を閉じるように設けられる振動板と、この振動板上に積層される圧電膜とを備える圧電アクチュエータと、
    を備えるインクジェットヘッドを製造する方法であって、
    前記振動板にセラミックス材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこのセラミックス材料の粒子を付着させることにより密着層を形成する密着層形成工程と、
    前記密着層上において、前記開口部に対応する開口領域に、周縁に前記密着層が露出する露出領域を残しつつ一の電極層を形成する第１の電極層形成工程と、
    前記一の電極層を形成させた密着層上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けてこの圧電材料の粒子を付着させることにより前記露出領域および前記一の電極層を覆うように圧電層を形成する圧電層形成工程と、
    前記圧電層をアニール処理するアニール処理工程と、
    前記圧電層上に前記一の電極層と対をなす他の電極層を形成する第２の電極層形成工程と、
    を含むインクジェットヘッドの製造方法。
11. 前記密着層形成工程の前に、
    前記インク流路形成体を形成する前記インク流路形成体形成工程と、
    前記インク流路形成体の前記一面に前記振動板を接合する振動板接合工程と、
    をさらに備える請求項１０に記載のインクジェットヘッドの製造方法。

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